我们都知道,温度是物体内部分子或原子运动的表现。温度越高,分子或原子运动越剧烈;温度越低,分子或原子运动越缓慢。那么,宇宙中是否存在一个最高温度和一个最低温度呢?

那么,这两个温度是如何定义的呢?为什么它们之间的差距如此之大呢?我们又该如何理解它们呢?本文将从以下几个方面为你解答这些问题:

什么是温度?

首先,我们要明白一个事实:温度并不是物质本身固有的属性,而是人类为了描述物质内部能量状态而创造的一个物理量。如果没有人类,外星人可能会用其他方式来表示物质所具有的内部能量。

换句话说,温度就是物质内部分子或原子随机运动和震动所产生的平均动能(内能)。随机运动和震动越剧烈,说明分子或原子所具有的动能越高,表现出来的温度也就越高,反之亦然。

如果我们持续给这杯水输入能量(加热),由于水分子动能不断提高,到达一定阈值时,水分子就会挣脱水的束缚,从表面蒸发逃逸,这就是水的沸腾。

固体金属也一样,在低温时原子被化学键固定在相对固定的位置震动,当温度升高时,原子获得足够的动能,就会挣脱化学键,开始随机运动,这时金属就熔化了。持续加热也会气化。

为什么最低温度只能达到-273.15°C?

既然温度是由分子或原子运动产生的,那么如果我们让一个物体内部所有的分子或原子都完全静止不动呢?这样做是否就可以让物体达到最低温度呢?

理论上,这是可行的。最低温度就是0K,也就是物体内的分子或原子停止运动。这就是我们对绝对零度的定义。

但实际上,这是不可能的。因为这违背了量子力学中一个基本的规律——不确定性原理。它告诉我们,组成物质的微观粒子,其动能和位置不可能同时精确地确定,它们的测量结果乘积大于等于普朗克常数的一半。

因此,物质粒子不可能完全停止运动,一旦停止,它的位置就会非常不确定;而如果位置确定了,它的动能就可能从0到无穷大,这两者明显是矛盾的。

基于不确定性原理,人类无法创造出绝对零度的物体,只能无限接近这个极限。目前,人类实验室中所能达到的最低温度是在2019年由麻省理工学院和哈佛大学的科学家创造出的0.004K。

为什么最高温度能达到1.4×10^32K?

我们已经知道,只要让物质粒子具有越来越高的速度,它们的动能就越大,我们测量出的温度也就越高。

那么,是否存在一个最高速度呢?答案是肯定的。根据相对论,质量存在的粒子无法达到光速,只能无限接近。那么光速极限就是温度的上限吗?答案是否定的。

最高温度被称为普朗克温度,约为1.4×10^32K。这个温度是如何定义的呢?它与宇宙的起源有关。

我们都知道,宇宙是由一次大爆炸开始的。在大爆炸之前,所有的能量都集中在一个无限小无限密的奇点中。当大爆炸发生时,奇点开始膨胀和冷却,形成了我们现在所看到的宇宙。

在大爆炸后的第一个普朗克时间内(10^-43秒),宇宙中所有能量都处于极高密度和极高温度状态。这个时期被称为普朗克时代。在普朗克时代中,所有已知的物理定律都会失效。我们现在所用的物理定律,在普朗克时代根本不适用。

普朗克时代之后,宇宙进入了暴涨时期。在暴涨时期中,宇宙以超过光速的速度膨胀了10^78倍。暴涨时期结束后,宇宙进入了辐射主导时期。在辐射主导时期中,宇宙中充满了高能辐射和各种粒子。

随着时间推移,宇宙不断扩张和冷却,各种粒子逐渐形成了原子、分子、恒星、行星、星系等结构。直到现在,我们所处的宇宙已经经历了138亿年左右的演化。

那么为什么绝对零度与普朗克温度之间的差距如此之大呢?

从上文我们可以看出,绝对零度与普朗克温度之间差了约10^32个数量级。

这个问题的答案其实很简单:因为我们生活在不同的宇宙时代。

我们现在所处的宇宙,已经经历了138亿年左右的扩张和冷却,已经接近很低的温度。我们所能观测到的宇宙背景辐射,就是宇宙早期高温状态的遗迹,它的温度只有2.7K。

而在普朗克时代,宇宙中所有能量都处于极高密度和极高温度状态,这是我们无法想象的。我们所用的物理定律,在普朗克时代根本不适用。

如果我们出现在宇宙诞生后的几秒钟,就会发现高温无处不在,温度之高接近极限温度。各种粒子都以光速飞行。

而我们可能会问,为什么宇宙最低温度竟可低到-273.15°C,而最高温度却只有1.4×10^32K?

原因仅仅是我们生活在不同的宇宙时代。未来宇宙还会继续冷却,温度也会越来越接近绝对零度。

总结

绝对零度与普朗克温度是两个极端的温度概念,它们分别代表了物质粒子运动的最小和最大状态。绝对零度是由量子力学中的不确定性原理限制的,而普朗克温度是由相对论中的光速极限限制的。

绝对零度与普朗克温度之间的差距如此之大,是因为我们生活在一个低速、低能量的宇宙之中。如果我们能回到宇宙诞生时期,就会发现高温无处不在,而低温则难以想象。